Опасность карстовых процессов

Карст представляет собой совокупность геологических процессов и созданных ими явлений в земной коре и на ее поверхности, вызванных химическим растворением и выносом водорастворимых горных пород подземными водами, в результате чего образуются отрицательные западинные формы рельефа на поверхности Земли и различные полости, каналы и пещеры в толще породы.

Опасность карста заключается в том, что этот широко распространенный скрытый процесс, препятствуя строительству и эксплуатации зданий и инженерных сооружений, а также рациональному использованию сельскохозяйственных земель, наносит значительный ущерб населению и хозяйству. Основные виды опасности карста включают: осадку и провалы земной поверхности; деформации сооружений вплоть до их разрушения; потеря воды из водохранилищ через воднорастворимые породы бортов и оснований водохранилищ, прорывы карстовых вод в горные выработки и тоннели, их затопление; загрязнение подземных вод;

На территории России карстующиеся породы различного литологического состава, залегающие как с поверхности, так и на различных глубинах распространены очень широко и занимают почти 50% ее территории. Районы развития карстового процесса имеются во всех федеральных округах. По наибольшей доле таких территорий от всей площади выделяются округа, расположенные в европейской части страны, а в азиатской части — Сибирский федеральный округ. Меньшую долю составляют в Уральском и Дальневосточном округах. Всего в стране опасному воздействию карста подвержено более ЗОО городов, среди которых такие крупные промышленные центры с населением свыше 1 млн человек как Москва, Нижний Новгород, Самара, Казань, Уфа. Пермь.

В Приволжском федеральном округе наибольшую интенсивность карстовые процессы имеют в центральной части округа и на западном склоне Среднего Урала. Предотвращение чрезвычайных ситуаций, связанных с карстом, базируется на оценке территории по степени опасности проявления карстового процесса, прогнозировании параметров развитая карста и разработке соответствующих противокарстовых мероприятий. Последние должны свести к минимуму опасность возможных карстовых проявлений, представляющих угрозу для населения и хозяйственных объектов, обеспечить их устойчивость при внезапной активации карстового процесса.

Факторы, определяющие развитие и формы проявления карстового процесса

Интенсивность развития и характер проявления карста зависят от растворимости вмещающих пород, растворяющей способности и расходов карстовых вод прочностных свойств карстующихся и перекрывающих их пород. Растворяющая способность карстовых вод определяется их минерализацией, химическим составом, температурой и давлением.

Помимо химического растворения горным пород играющего основную роль в развитии карста, этому явлению также способствует целый ряд других, тесно связанных с ним природных процессов. К ним относятся физическое выветривание, размыв и размокание пород, перераспределение горного давления, оседание и обрушение горных пород перенос водой и отложение растворимых веществ и обломочного материала, а также другие геологические процессы.

Техногенные воздействия в зоне карстующихся пород способны активизировать проявления карста в десятки раз. Наиболее опасными из них являются взрывы, статические и динамические нагрузки, утечки из водонесущих коммуникаций и другие техногенные воздействия.

В зависимости от особенности залегания растворимых горных пород, наличие или отсутствие водоупорных образований карст делится на открытый и закрытый. Открытый карст развивается в растворимых породах выходящих на поверхность земли и формирует борозды,карстовые воронки, колодцы. Закрытый(или подземный) карст развивается в растворимых породах на некоторой глубине,образуя вертикальные и наклонные карстовые ходы,колодцы,шахты и пещеры.

Характеристика карстующихся пород

Среди природных условий развития карста первостепенное значение имеет литологический состав карстyющихся пород. Выделяют следующие типыкарста: карбонатный, сульфатный и карбонатно -сульфатный, галоидный и сульфатно-галоидный.

Каждый тип имеет свои особенности развития и формы проявления.

Карбонатный карст. Этот тип объединяет такие геологические породы, как известняки, доломиты и мел.Их трещиноватость, водопроницаемость и закарстованность различны и неравномерны. Известняки и доломиты являются слаборастворимыми породами. Проявления карста в таких породах разнообразны: это могут быть каверны, расширенные трещины, полости, пещеры, воронки.
В области развития карбонатного карста преобладают территории, где среднее количество провалов в естественных условиях составляет менее 0,01 случая на 1 кв. км в год, однако встречаются и сильно закарстованные территории с количеством провалов на порядок выше. Для карбонатного карста характерны явления поглощения поверхностных вод. Высока вероятность активизации суффозионных и провальных явлений в результате бесконтрольного изменения гидрологических условий. Возможны большие фильтрационные потери из водохранилищ и водоемов, а иногда - внезапные притоки воды в котлованы, открытые и подземные горные выработки.

Сульфатный и карбонатно-сульфатный карст.

Растворимость сульфатных пород (гипсов и ангидритов) значительная, но они в основной массе являются слаботрещиноватыми и маловодопроницаемыми. Карст в них развивается быстрее, чем в карбонатных породах, и более неравномерно. Коэффициент фильтрации может достигать 100-200 м/сут и более. Интенсивному развитию карста способствует сочетание более растворимых сульфатных пород с более водопроницаемыми карбонатными.Значительные площади занимают сильнозакарстованные участки с многочисленными подземными и поверхностными карстовыми формами, среди которых преобладают провалы и воронки. Их среднее количество на сильнозакарстованных участках не редко превышает 0,1 случая на 1 кв. км в год. В области развития этого типа карста растворение пород за период эксплуатации зданий и сооружений может быть заметным. Опасность активизации карста и связанных с ним суффозионных и провальных явлений в результате бесконтрольных техногенных изменений гидрогеологических условий больше, чем в карбонатных породах.

Галоидный и сульфатно-галоидный карст.

Растворимость галоидных пород (каменная соль и калийные соли) высокая, однако вследствие незначительной трещиноватости и водопроницаемости развитие карста в естественных условиях приурочено, как правило, только к кровле и краевым частям соляных залежей. Интенсивность развития карста зависит от активности водообмена. Процесс растворения нередко тормозится образованием близ поверхности соляных пород слоя рассолов высокой концентрации,имеющих тенденцию опускаться вниз благодаря своему большому удельному весу. Разработка соляных месторождений оказывает большое влияние на развитие карста и нередко вызывает резкую его активизацию. Активный соляной карст очень опасен, поскольку растворение пород идет чрезвычайно быстро. В области развития этого типа карста среднегодовое количество провалов превышает 0,1 случая на 1 кв. км в год.

Таким образом, различия в скорости растворения карстyющихся пород определяют значительно большую опасность сульфатного и тем более галоидного карста по сравнению с карбонатным.

Методика оценки опасности карстовых процессов

Степень опасности карста на территории Приволжского федерального округа определялась по комплексу показателей, характеризующих масштабы проявления карстовых процессов, и выражена в баллах в соответствии со следующими правилами. Областям распространения карстyющихся карбонатных пород приписывался 1 балл, сульфатных, соляных или их сочетанию с карбонатными - 2 балла. В районах с распространением поверхностных карстовых форм в виде воронок оценка повышалась на 1 балл при плотности воронок до 10 на 1 кв. км, на 2 балла - при плотности воронок до 300 на 1 кв. км и на 3 балла - при большей плотности. В пределах карстовых районов с неустановленной плотностью воронок прибавлялся 1 балл. В районах, где известны отдельные группы воронок и единичные формы (провалы, пещеры, крупные воронки), добавлялся 1 балл, а при их высокой концентрации - 2 балла.Кроме того, оценка опасности повышалась на 1 балл в районах перспективной разработки месторождений и на 2 балла - в районах интенсивной горнодобывающей деятельности с высокой степенью техногенного нарушения земель.

Особенности распространения карста на территории округа

Приволжский федеральный округ располагается в пределах двух карстовых стран - Русской равнины и Урала. Здесь распространены разнообразные литологические типы карста: карбонатный (известняковый и меловой), сульфатный, смешанный -сульфатно-карбонатный и сульфатно-соляной.

Степень опасности карста на территории округа из меняется от незначительной на большей части равнинной территории до максимальной на локальных участках в Приуралье. На западе равнинной области округа закарстованные территории представляют Окско-Клязьминскую карстовую провинцию.Здесь, на междуречье Оки, Мокшы и Суры, карстyются сульфатные, сульфатно-карбонатные и карбонатные породы верхней и нижней перми. Карстовые формы развиты на многочисленных участках, чаще всего в долинах рек и в пределах локальных тектонических поднятий. Они представлены воронками, котловинами, провалами, суходолами. На некоторых участках плотность воронок достигает 150-200 шт. на 1 кв. км. Крупнейшая карстовая котловина расположена в низовьях р. Бол. Кутра около с. Болотниково. Она имеет 1300 м в длину при ширине 400 м и глубине до 20-30 м. Здесь же расположен ряд крупных воронок до 200-250 м диаметром и глубиной 25-30 м.

В южной части района карстyются верхнедевонские,карбоновые и пермские известняки и доломиты.На востоке весьма интенсивные карстовые процессы развиты в Межпьянье и на междуречье Пьяны и Теши. Здесь многочисленны воронки до 15-20 м глубины, провалы, в том числе молодые, карстовые озера,небольшие пещеры протяженностью первые десятки метров. Карстовая опасность в этом округе местами достигает 4-5 баллов.Вдоль восточной половины Приволжской возвышенности с юга на север протягивается Приволжская карстовая провинция. В центральной части возвышенности, в бассейнах верхней Суры, Барыша, Свияги, Терешки, развит меловой карст. Здесь встречаются карстовые воронки, котловины, суходолы, в долинах рек - карстовые источники. Плотность форм невелика. Южнее, на междуречье Медведицы и Волги, карстyются мело-мергельные породы верхнего мела, а также известняки и доломиты карбона. Карстовые формы (небольшие воронки и провалы глубиной до 5-6 м) немногочисленны, и эти районы отнесены к незначительно опасным.

В центральной части округа на территории Верхневолжской низменности, Вятского Увала и северо-восточной оконечности Приволжской возвышенности располагается Средневолжская карстовая провинция. Развитый здесь карст относится к карбонатному типу, местами он сочетается с сульфатным, и в таких районах процесс имеет наибольшую интенсивность. Следует упомянуть левобережье р. Вятка вблизи п. Медведки, где встречаются крупные провальные воронки (до 50 м глубиной) и карстовые озера; междуречье Вятки и ее притока Немцы, где воронки достигают 30 м в диаметре и более 10 м глубины.

В окрестностях Казани, на междуречье Меши и Казанки, широко распространены воронки глубиной до 30 м и диаметром до 150 м, карстовые рвы, провалы.Один из крупнеиших провалов диаметром 23 м и глубиной более 7 м образовался в 1949 г. в черте г. Казань. На правобережье Волги (междуречье Волгии Свияги) карстyются известняки, доломиты и гипсы верхней перми. Особенно интенсивен карст в районе Камского Устья, где плотность воронок местами превышает 120 на 1 кв. км. Здесь встречаются также карстовые провалы и пещеры, а карстовая опасность оценивается в 5 баллов. На территориях, прилегающих к верховьям Куйбышевского водохранилища,встречаются редкие и незначительные по величине воронки и провалы -проявления карбонатного карста, опасность которого незначительна. Восточнее, в пределах Бугульминско-Белебеевской возвышенности и Жигулевского свода, распространен преимущественно смешанный, карбонатно -сульфатный тип карста. Карстовые формы здесь представлены главным образом небольшими воронками и провалами, глубиной несколько метров, хотя отдельные формы достигают значительных размеров. Так, на междуречье верховьев рек Мензеля и Меля встречаются воронки диаметром до 80 м и глубиной до 20 м; известен образовавшийся в 1939 г. Акташский провал-колодец на правобережье р. Степной Зай глубиной более 50 м при диаметре 5 м - один из самых глубоких на Русской равнине. В долине р. Ик, в районе п. Октябрьский, описаны карстовые пещеры, крупнейшая из которых имеет длину 120 м. Степень опасности карста в целом небольшая, хотя на отдельных участках может быть оценена как умеренная.Довольно интенсивные карстовые процессы протекают в пределах Самарской Луки, в бассейне р. Сок,на междуречье низовьев рек Сок и Самара. Здесь карстyются гипсы, известняки и доломиты перми и карбона. В Сокском районе на левобережье Волги встречаются воронки, котловины, слепые балки. Широко развит карст по северной периферии г. Самара,на правобережье рек Бол. Кинель и Самара, где в районе с. Алексеевка некоторые воронки достигают 40-метровой глубины при диаметре 150 м и где в 1956 г. возник провал 30-метровой глубины.Самарская Лука известна как район широкого развития поверхностных и подземных карстовых форм.